DE69636016T2

DE69636016T2 - Verharen zur Herstellung einer Lichtempfangsvorrichtung

Info

Publication number: DE69636016T2
Application number: DE69636016T
Authority: DE
Inventors: Taro Tsukuba-shi Itatani; Kazuhiko Tsukuba-shi Matsumoto; Masami Tsukuba-shi Ishii; Tadashi Tsukuba-shi Nakagawa; Yoshinobu Tsukuba-shi Sugiyama
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1995-01-23
Filing date: 1996-01-22
Publication date: 2006-11-09
Anticipated expiration: 2016-01-23
Also published as: DE69636016D1; EP0723302A2; US5895227A; DE69614583D1; EP0723302B1; US5661328A; DE69614583T2; US5945720A; EP0926742A2; EP0723302A3; EP0926742A3; EP0926742B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Lichtempfangsvorrichtung.
Die in der folgenden Beschreibung benutzte Bezeichnung der fotoelektrischen Umwandlung bezieht sich auf die Funktion, in einer Lichtempfangsvorrichtung ein Lichtsignal in ein elektrisches Signal umzuwandeln. 7 veranschaulicht die Struktur einer herkömmlichen Lichtempfangsvorrichtung 50 zur Umwandlung von Lichtsignalen in elektrische Signale bei relativ hoher Geschwindigkeit, wie sie in der Zeitschrift IEEE Journal of Quantum Electronics (Vol. 28, Seiten 2358-2368, 1992) beschrieben ist. Wie gezeigt, umfasst die Lichtempfangsvorrichtung 50 ein Substrat 11, das den zur fotoelektrischen Umwandlung bestimmten Teil darstellt (dieser kann auch als lichtabsorbierender Teil bezeichnet werden, da es sich hier um eine Lichtempfangsvorrichtung handelt) und ein Paar entgegengesetzte Elektrodenabschnitte 51, die jeweils in Form einer dünnen Metallschicht auf der Oberfläche des Substrats 11 ausgebildet werden. Die freigelegte Oberfläche des Substrats 11 zwischen den Elektroden 51 bildet ein optisches Fenster, durch das das zu erfassende Licht I_P eintreten kann.
Wenn das Licht I_P auf das optische Fenster 13 trifft und dabei gleichzeitig eine geeignete Spannung an den beiden Elektroden 51 anliegt, werden in dem Substrat 11 angeregte Ladungsträger (Elektronen und Defektelektronen) erzeugt. Die in der Zeichnung als Leerkreise dargestellten Defektelektronen werden zur Elektrode 51 mit einem relativ negativen (–) Potenzial gezogen und die als Vollkreise dargestellten Kreise werden zur Elektrode 51 mit einem relativ positiven (+) Potenzial gezogen, wodurch sich über die Elektroden 51 ein fotoelektrischer Stromfluss (Lichtdetektionsstrom) aufbaut, durch den das Einfallen des Lichts I_P erfasst wird.
Bei dieser Art einer herkömmlichen Lichtempfangsvorrichtung 50 nach 7, die im Allgemeinen als MSM (Metall-Halbleiter-Metall)-Vorrichtung bezeichnet wird, ist die Arbeitsgeschwindigkeit der Vorrichtung höher, je kleiner die Breite des optischen Fensters 13 ist, d. h. je kleiner der Abstand zwischen den Elektroden 51. Je größer die angelegte Spannung, desto höher sind Geschwindigkeit und Empfindlichkeit der Vorrichtung. Zudem wird dadurch, dass die Brei te W des optischen Fensters 13 so gewählt wird, dass sie nicht größer ist als die Wellenlänge des zu erfassenden Lichts I_P, ein evaneszentes Feld auf das auf das lichtabsorbierende Substrat 11 auftreffende Licht I_P übertragen und bewirkt, dass das einfallende Licht I_P in der Nähe der Oberfläche des Substrats 11 absorbiert wird. Gleichzeitig werden, da die von den Elektroden 51 erzeugte Feldstärke auf der Oberfläche des Substrats 11 höher ist als im Innern, die in der Nähe der Oberfläche des Substrats 11 erzeugten angeregten Ladungsträger schnell zu den Elektroden 51 gezogen, wodurch ein Betrieb mit höherer Geschwindigkeit erreicht und die Beeinflussung durch die Ladungsträgerrekombination verringert wird.
Bei der Lichtempfangsvorrichtung 50 nach 7 hatte ein Verringern der Breite W zwischen den Elektroden 51 auf etwa 300 nm durch Elektronenstrahl-Lithographie, einer existierenden Feinstrukturierungstechnik, eine Impulsantwort-Halbwertsbreite von 870 fs (FWHM) zur Folge, was im Vergleich zu anderen Lichtempfangsvorrichtungen eine relative hohe Geschwindigkeit ist. In Anbetracht der nachstehenden Gründe ist es jedoch schwierig, höhere Geschwindigkeiten zu erzielen.
Da das optische Fenster 13 auf der Oberfläche des Substrates 11 zwischen den Elektroden 51 freiliegt, besteht ein erstes Problem darin, dass bei Anlegen einer höheren Spannung an die Elektroden 51 eine Kriechentladung entlang der freiliegenden Oberfläche des optischen Fensters 13 sowie eine Luftspaltentladung auftreten, wodurch die Vorrichtung unbrauchbar wird. Das heißt, wenn die Breite W zwischen den Elektroden 51 über eine bestimmte Grenze hinaus verringert wird, verursacht sogar eine niedrige Spannung einen dielektrischen Durchschlag. Andererseits unterliegt die anlegbare Spannung sogar dann starken Beschränkungen, wenn die Breite W des Einfalllichtfensters 13 vergrößert werden kann, sofern sie die Wellenlänge des einfallenden Lichts I_P nicht überschreitet. Ein zweites Problem betrifft die Grenzen der Verfahrenstechnik. Sogar bei der verfügbaren Elektronenstrahl-Lithographie, einer relativ hochpräzisen Feinstrukturierungstechnik, kann in der Tat ein Elektrodenabstand nicht auf eine Breite W von 100 nm oder weniger präzisionsgefertigt werden; sogar 300 nm oder weniger sind relativ schwierig.
Ein übliches Verfahren, mit dem das erste Problem gelöst werden kann, besteht darin, den freigelegten Teil der Oberfläche, der das optische Fenster 13 zwischen den Elektroden 51 bildet, zu belegen oder zu bedecken. Dies wird nun anhand der 8 beschrieben. Die nachfolgende Beschreibung ist nicht auf Lichtempfangsvorrichtungen begrenzt, sondern ist auch auf Vorrichtungen wie lichtemittierenden Vorrichtungen anwendbar, die einen in Form eines optischen Fensters begrenzten, lichtemittierenden Bereich haben. Demgemäß wird das Bezugszeichen 52 verwendet, um die in 8 gezeigte Lichtempfangsvorrichtung zu kennzeichnen. Der lichtabsorbierende Teil 11 der 7 ist der im allgemeinen Sinn der Bezeichnung zur fotoelektrischen Umwandlung bestimmte Teil und die Bezeichnung metallische Filmelektroden 51 wird durch die Bezeichnung optisch undurchlässige, leitfähige Schicht (Elektroden) 12 eingeschlossen. Zur Herstellung der Lichtvorrichtung 52 wird das verfügbare Lithographieverfahren angewandt, um einen vorgegebenen Bereich einer optisch undurchlässigen, leitfähigen Schicht 12 zu entfernen, die auf dem zur fotoelektrischen Umwandlung bestimmten Teil 11 ausgebildet ist. Dabei wird ein begrenzter Teil, der das optische Fenster 13 bildet, freigelegt.
Anschließend wird durch Zerstäuben (Sputtern) oder einem anderen Aufdampfverfahren eine optisch durchlässige, schützende Isolierschicht 53 über dem optischen Fenster ausgebildet. Da Zerstäuben und andere Vakuumaufdampfgeräte jedoch kostspielig sind, steht einem Erreichen des gewünschten Ergebnisses auf anderem Weg nichts entgegen. Obgleich die optisch undurchlässige, leitfähige Schicht 12, in der der Bereich des optischen Fensters 13 ausgebildet (begrenzt) wird, und die Isolierschicht 53 zum Schutz des optischen Fensters 13 in separaten Prozessen ausgebildet werden, kann die Herstellung der Vorrichtung vereinfacht werden, indem diese beiden Prozesse in einem Schritt durchgeführt werden. Wie bereits beschrieben, liegt sogar bei der relativ hohen Mustergenauigkeit, die von einer Technik wie der Elektronenstrahl-Lithographie erreicht wird, die minimale Breite W des optischen Fensters 13, das in der optischen undurchlässigen, leitfähigen Schicht ausgebildet werden kann, in einer Größenordnung von 300 nm.
Ungleichmäßigkeiten in der Dicke der Oberflächenbeschichtung verursachen Abweichungen in den Vorrichtungseigenschaften; Hochfrequenzeigenschaften können durch dielektrische Ablagerungen verschlechtert werden. Bei Verwendung eines sehr feinen optischen Fensters ist es schwierig, über dem Fenster eine hochwertige Isolierschicht auszubilden, die einen hohen dielektrischen Widerstand aufweist.
US-A-3949463 beschreibt die Ausbildung eines optischen Fensters anhand eines Prozesses aus vier Schritten. Diese sind (1) Strukturierung mittels Fotolack, (2) Metallaufdampfung, (3) Entfernen des Fotolacks und (4) Anodisieren. Der Prozess unterliegt den oben erwähnten Beschränkungen hinsichtlich der Breite des optischen Fensters.
Ein Artikel in der Zeitschrift Applied Physics Letters vom 30. August 1993, USA, Bd.: 63, Nr. 9, Seiten 12889–1290, von Sugimur et. al. beschreibt das spitzeninduzierte Anodisieren von Titanoberflächen durch Rastertunnelmikroskopie.
Ein Artikel von Matsumoto et. al. in Japanese Journal of Applied Physics, Bd. 34, Februar 1995, Seiten 1387–1390, der sich auf eine vom 23. bis 26. August 1994 abgehaltene Konferenz bezieht, beschreibt die Herstellung einer Diode aus Metall-Isolator-Metall (MIM) durch spitzeninduziertes Anodisieren von Titanschichten. Dieser Artikel gibt jedoch keinen Hinweis darauf, dieses Verfahren auf lichtempfangende Strukturen nach Anspruch 1 auszuweiten.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen einer Lichtempfangsvorrichtung, mit dem die oben beschriebenen Nachteile behoben oder verringert werden können, und ein optisches Fenster anzugeben, das mit einer Breite gefertigt werden kann, die kleiner als die herkömmlicher Lichtvorrichtungen ist.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Lichtempfangsvorrichtung vorgegeben, umfassend die Schritte:
Bilden einer optisch undurchlässigen, elektrisch leitfähigen Schicht auf einer Oberfläche eines zur fotoelektrischen Umwandlung bestimmten Substrats,
Oxidieren eines Teils der optisch undurchlässigen, elektrisch leitfähigen Schicht zum Ausbilden einer durchlässigen oder halbdurchlässigen schützenden Isolationsstruktur vorgegebener Breite und Länge in der Schicht, wodurch ein optisches Fenster begrenzt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Oxidation mit einem Rasterkraftmikroskop durchgeführt wird.
Dabei kann die optisch undurchlässige, elektrisch leitfähige Schicht ein Metall, eine Legierung oder ein Halbleiter (einschließlich Halbisolatoren) sein oder ein Halbleiter-Übergitter umfassen.
Auf diese Weise wird eine Lichtempfangsvorrichtung hergestellt, in der ein vorgegebener Bereich auf einer Oberfläche des lichtempfangenden oder des zur fotoelektrischen Umwandlung bestimmten Substrats ein optisches Fenster vorgegebener Breite bildet, über das Licht empfangen oder emittiert wird. Wenn sie eine Lichtempfangsvorrichtung ist, die es erfordert, eine optisch undurchlässige, elektrisch leitfähige Schicht auf beiden Seiten des optischen Fensters auszubilden, können der begrenzte optische Fensterbereich und eine Isolationsstruktur zum Schützen der Anordnung verwendet werden, um die optischen Eigenschaften des optischen Leiters zu ändern.
In der Lichtempfangsvorrichtung wird die Isolierkriechstrecke zwischen den Elektroden vergrößert, indem die Dicke des optischen Leiters größer als die Dicke der Elektroden gewählt wird. Die Lichtempfangsvorrichtung hat mehrere optische Leiter, die zwischen dem Paar Elektroden parallel angeordnet sind, und Mittel, die jeweils zwischen benachbarten optischen Leitern vorgesehen ist, damit das zu erfassende Licht nicht übertragen wird.
Nach einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Lichtempfangsvorrichtung angegeben, das einen Schritt umfasst, eine optisch undurchlässige, elektrisch leitfähige Schicht auf einer Oberfläche eines zur fotoelektrischen Umwandlung bestimmten Substrats aus zubilden, sowie einen Schritt, in dem ein Teil der optisch undurchlässigen, elektrisch leitfähigen Schicht transformiert wird, um über dem optischen Fenster eine lichtdurchlässige schützende Isolationsstruktur vorgegebener Breite und Länge auszubilden, und gleichzeitig auf der Substratoberfläche unter der schützenden Isolationsstruktur einen optischen Fensterbereich zu begrenzen.
Die optisch undurchlässige, elektrische leitfähige Schicht kann aus Metall oder einer Legierung oder einem Halbleiter (einschließlich Halbisolatoren) sein oder ein Halbleiter-Übergitter umfassen.
Auf diese Weise wird eine Lichtempfangsvorrichtung hergestellt, die einen vorgegebenen Bereich auf einer Oberfläche des zur fotoelektrischen Umwandlung bestimmten lichtempfangenden oder lichtemittierenden Substrats hat, der ein optisches Fenster vorgegebener Breite bildet, über das Licht empfangen oder emittiert wird. Wenn sie eine Lichtempfangsvorrichtung ist, die es erfordert, dass eine optisch undurchlässige, elektrisch leitfähige Schicht auf beiden Seiten des optischen Fensters auszubilden ist, können der begrenzte optische Fensterbereich und eine Isolationsstruktur zum Schützen des optischen Fensters in einem einzigen Schritt hergestellt werden. Dies ist hocheffizient und vermeidet, dass zur Ausbildung der schützenden Schicht über die gesamte Oberfläche ein teueres Vakuumaufdampfgerät verwendet werden muss.
In diesem Verfahren wird die optisch undurchlässige, elektrisch leitfähige Schicht durch Oxidation hergestellt. Diese Oxidation wird mit einem Rastersondengerät durchgeführt.
Mit diesem Verfahren können ein feines optisches Fenster, dessen Breite die Wellenlänge des zu erfassenden Lichts nicht überschreitet, sowie eine hochwertige, schützende und einen hohen dielektrischen Widerstand aufweisende Isolationsstruktur für das optische Fenster im gleichen Schritt ausgebildet werden. Die Folge ist, dass durch Anlegen einer hohen Feldstärke die Ladungsträgergeschwindigkeit vergrößert wird, die Wirkung der Ladungsträgerrekombination dabei abnimmt und damit eine schnellere und empfindlichere Lichtempfangsvorrichtung bereitgestellt wird.
Es gibt einen Fall, in dem mehrere voneinander getrennte Teile der optisch undurchlässigen, elektrisch leitfähigen Schicht transformiert werden.
Das zur fotoelektrischen Umwandlung bestimmte Substrat besteht aus einem lichtabsorbierenden Material mit einer Lichtempfangsfunktion. Ein nichttransformierter Teil der optisch undurchlässigen, elektrisch leitfähigen Schicht fungiert als Elektrode, um an das lichtabsorbierende Substrat eine Spannung anzulegen, und die schützende Isolationsstruktur fungiert als ein optischer Leiter, der Licht auf das Substrat richtet.
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Lichtvorrichtung angegeben, wobei die Dicke der schützenden Isolationsstruktur möglichst dicker ist als die Dicke der nichttransformierten Teile auf jeder Seite der optisch undurchlässigen, elektrisch leitfähigen Schicht. Wenn die restlichen Teile auf jeder Seite der Schicht als Elektrodenpaar verwendet werden, wird die Kriechstrecke zwischen den Elektroden vergrößert und der Widerstand gegen dielektrischen Durchschlag erhöht.
Die Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft, mit besonderem Verweis auf die dazugehörigen Zeichnungen, beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
1 ein Verfahren zum Herstellen der Lichtvorrichtung nach einer Ausführung der Erfindung,
2 die allgemeine Konfiguration einer Ausführung der Lichtempfangsvorrichtung der Erfindung,
3 Schritte, die in der Herstellung einer MSM-Lichtempfangsvorrichtung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Lichtempfangsvorrichtung der Erfindung angewandt werden,
4 eine Darstellung eines Systems, das verwendet wird, um eine durch die Schritte nach 3 hergestellte Lichtempfangsvorrichtung zu messen,
5 die mit der Lichtempfangsvorrichtung erhaltenen Messergebnisse,
6 die Konfiguration einer anderen Lichtempfangsvorrichtung, die nach dem Verfahren der Erfindung hergestellt wurde.
7 die Anordnung einer herkömmlichen MSM-Lichtempfangsvorrichtung, und
8 eine übliche Schutzstruktur für ein optisches Fenster.
1 zeigt ein Beispiel von Grundschritten oder Prozessen, die zur Herstellung einer Lichtvorrichtung nach dem Verfahren der Erfindung angewandt werden. In dieser und in anderen Ausführungsformen werden Teile, die Teilen in den herkömmlichen Vorrichtungen 50 und 52 der bereits beschriebenen 7 und 8 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1(A) zeigt eine leitfähige, optisch undurchlässige Filmschicht 12, die auf einem lichtempfangenden, zur fotoelektrischen Umwandlung bestimmten Substrat 11 ausgebildet ist. Die innere Zusammensetzung des Substrats 11 wird durch die Erfindung nicht im Einzelnen bestimmt und kann in den Aufbaustrukturen existenter Vorrichtungen enthalten sein. Wenn die Vorrichtung wie eine vorhergehend beschriebene, herkömmliche MSM-Lichtempfangsvorrichtung ausgebildet ist, wird das Substrat 11 als Lichtabsorber wirken und, was das Material betrifft, aus einem Volumenhalbleiter wie GaAs gebildet werden. Die Schicht 12 kann aus einem geeigneten Metall (einschließlich Legierungen) oder einem Halbleiter, einschließlich eines Halbleiter-Übergitters, ausgebildet werden. Allgemein kann bei einer Lichtempfangsvorrichtung ein Material, das zumindest für das zu erfassende Licht undurchlässig ist oder eine sehr geringe Durchlässigkeit hat und eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist, als für den Zweck der Erfindung geeignet angesehen werden.
Ausgehend von der in 1(A) dargestellten Struktur werden die Eigenschaften eines Bereichs der optisch undurchlässigen Schicht 12, der einem Bereich 13 entspricht, in dem schließlich ein optisches Fenster 13 ausgebildet wird, transformiert, um eine lichtdurchlässige Isolationsstruktur auszubilden (d. h. für zu erfassendes Licht durchlässig oder halbdurchlässig). Dazu wird ein Rastersondengerät zur Oxidation des betroffenen Bereichs verwendet. Beispiele für Geräte, die hierfür zum Einsatz kommen, sind ein Rastertunnelmikroskop (RTM) und ein Rasterkraftmikroskop (AFM). Im Falle eines RTM wird beispielsweise die Spitze der Sonde P nahe an die Schicht 12 geführt und eine Energiequelle V verwendet, um über den Raum zwischen der Sondenspitze und der Schicht 12 ein elektrisches Hochspannungsfeld anzulegen, während die Sonde P gleichzeitig in eine Richtung S abgetastet wird. Dadurch oxidiert die Schicht 12 entlang der Abtastlinie und bildet dabei eine lichtdurchlässige Isolationslinie 15'. Unter Verwendung dieses Verfahrens gelang es den vorliegenden Erfindern, durch Oxidation einer auf einem GaAs-Substrat aufgetragenen Titanschicht eine Titanoxidlinie mit einer Mindestbreite von 18 nm auszubilden. Das gleiche Ergebnis wurde auch mit einem AFM erzielt. Obwohl nicht direkt auf diese Erfindung bezogen, sei vermerkt, dass die Zielschicht bei einem AFM nicht elektrisch leitfähig sein muss.
Wenn die Linie 15' auf die vorgegebene Länge ausgebildet worden ist, so ist eine lichtdurchlässige schützende Isolationsstruktur 15 vorgegebener Breite und Länge ausgebildet, um das optische Fenster zu schützen. Derselbe Ausbildungsprozess wird angewandt, um auf der Substratoberfläche unter der Struktur 15 einen Bereich für das optische Fenster 13 zu begrenzen, wie in 1(C) gezeigt. Dies vereinfacht den Herstellungsprozess, indem vermieden wird, zuerst das optische Fenster und dann eine Schicht über die gesamte Oberfläche als Schutzschicht für ein optisches Fenster einzeln auszubilden, wie dies bei der in 8 gezeigten herkömmlichen Vorrichtung notwendig ist.
Bei einer Lichtvorrichtung 10 nach dieser Erfindung können ferner die restlichen nicht-transformierten Teile der optisch undurchlässigen, leitfähigen Schicht 12 auf jeder Seite der schützenden Isolationsstruktur 15 als Elektroden verwendet werden. Da in einem solchen Fall die Isolationsstruktur 15 zwischen den Elektroden 12 angeordnet ist, wird die Isolationskriechstrecke vergrößert und damit der Widerstand gegen dielektrischen Durchschlag erhöht. Durch Vergrößern der Dicke der Struktur 15 auf über ein bestimmtes Niveau werden auch die Isolationseigenschaften verbessert.
Dadurch ist es möglich, bei etwa der gleichen Trennbreite W wie bei einer herkömmlichen Vorrichtung, eine höhere Spannung zwischen den Elektroden 12 anzulegen. Umgekehrt bedeutet dies, dass für dieselbe angelegte Spannung in der Nähe des Substrats 11 eine höhere Feldstärke erreicht werden kann, indem der Abstand zwischen den Elektroden 12 verringert wird. Dies ist äußerst vorteilhaft, wenn das Verfahren dieser Erfindung für die Herstellung einer MSM-Lichtempfangsvorrichtung angewendet wird. Durch Gebrauch eines Rastersondengeräts zum Bearbeiten der optisch undurchlässigen, leitfähigen Schicht 12 kann die Breite W des optischen Fensters 13 (d. h. der Abstand zwischen den Elektroden 12) bis auf wenig mehr als 10 Nanometer verringert werden und die hohe Isolierqualität der Schutzstruktur 15 gleichzeitig sichergestellt werden.
2 ist eine Querschnittsansicht einer Lichtempfangsvorrichtung 10A. Die Lichtempfangsvorrichtung 10A umfasst ein lichtabsorbierendes Substrat 11 aus GaAs oder einem anderen derartigen geeigneten Halbleiter, auf dem ein Paar Elektroden 12 ausgebildet werden, wobei der Raum zwischen den Elektroden 12 ein optisches Fenster 13 zum Lichteintritt bildet. Die Elektroden 12 bestehen meist aus Titan oder einem anderen derartigen Metall, können aber auch aus Silizium oder einem anderen entsprechenden Halbleiter gebildet werden, der durch das Einbringen einer geeigneten Verunreinigung leitfähig gemacht wurde. Das lichtabsorbierende Substrat 11 kann als Struktursubstrat der Lichtempfangsvorrichtung 10A verwendet werden. Dies stellt keine Beschränkung dar, da die dargestellte Struktur durch eine andere als die gezeigte physikalische Ladungsträgerstruktur ausgebildet werden kann.
Bei einer gebräuchlichen, in 7 gezeigten Lichtempfangsvorrichtung 50 liegt das optische Fenster 13 in Form eines der Luft ausgesetzten Teils der Oberfläche vor. Im Gegensatz dazu ist der optische Fensterteil der Lichtempfangsvorrichtung 10A mit einer schützenden Isolationsstruktur versehen, die aus einem geeigneten Isoliermaterial wie Titanoxid, Siliziumoxid oder Siliziumnitrid ausgebildet ist. Die Struktur 15 dient dazu, das optische Fenster durch Abdecken des freigelegten Teiles des Substrats 11 zu schützen und wirkt außerdem auch als optischer Leiter. Dieser optischer Leiter 15 muss mindestens für das zu erfassende Licht I_P lichtdurchlässig sein, d. h. transparent oder semitransparent. Die oben genannten Materialien sind Beispiele für Materialien, die für das Licht der meisten Wellenlängen als durchlässig angesehen werden.
Da in dieser Anordnung der Teil des Substrats 11 zwischen den Elektroden nicht freigelegt ist, wird die Oberflächenentladung auf die freigelegte Oberfläche des Substratfensters 13 vermieden oder abgeschwächt, was in der herkömmlichen Anordnung ein Problem darstellt, und ermöglicht das Anlegen einer höheren Spannung unter Verwendung derselben Breite W zwischen den Elektroden 12 wie in einer herkömmlichen Konfiguration. Es ist wünschenswert, die Dicke t des optischen Leiters 15 größer herzustellen als die Dicke der Elektroden 12. Dadurch vergrößert sich die Kriechstrecke zwischen den Elektroden 12 um einen der Dickenzunahme entsprechenden Betrag, was einen angemessenen Widerstand gegen die Art der Luftspaltentladung über die Elektroden 19 schafft, für die die herkömmliche Vorrichtungsanordnung anfällig ist. Während bei einer üblichen Vorrichtungskonfiguration das Risiko eines dielektrischen Durchschlages einschränkt, wie nah die Elektroden 12 zusammengebracht werden können, und damit eine Obergrenze für die anzulegende Spannung setzt, werden in der Lichtempfangsvorrichtung 10A dieser Erfindung solche Einschränkungen erheblich reduziert.
Wenn, wie bereits beschrieben, die Breite W des optischen Fensters 13 so gewählt wird, dass sie die Wellenlänge des zu erfassenden Lichtes I_P nicht überschreitet, erscheint das auf das lichtabsorbierende Substrat auftreffende Licht I_P als ein evaneszentes fotoelektrisches Feld. Die fotoelektrische Feldstärke ist nur in der Nähe der Oberfläche des Substrats 11 erhöht, und das einfallende Licht I_P wird in der Nähe der Substratoberfläche 11 absorbiert. Da in der erfinderischen Lichtempfangsvorrichtung 10A zwischen den Elektroden 12 eine höhere Spannung als in der herkömmlichen Vorrichtung angelegt werden kann und die elektrische Feldstärke somit auf der Oberfläche des Substrats höher ist als im Innern, werden die angeregten Ladungsträger (Elektronen und Defektelektronen), die vom einfallenden Licht I_P in der Nähe der Substratoberflä che 11, nahe den Elektroden 12, erzeugt werden, mit hoher Geschwindigkeit zur entsprechenden Elektrode gezogen (Elektroden zur relativ positiven Elektrode und Defektelektroden zur relativ negativen Elektrode). Mit anderen Worten kann die fotoelektrische Umwandlung (Lichtdetektion) mit einer höheren Geschwindigkeit ausgeführt werden. Außerdem bedeutet die höhere Geschwindigkeit, mit der die Ladungsträger infolge der angelegten hohen Spannung weggezogen werden, dass weniger Rekombination stattfindet, was eine höhere Empfindlichkeit und Leistung der Vorrichtung fördert.
3 zeigt mehr Einzelheiten des Prozesses, der zur Herstellung der MSM-Lichtempfangsvorrichtung 10A der 2 nach dem Verfahren dieser Erfindung angewandt werden. Zunächst Bezug nehmend auf die 3(A) wird eine vollflächige leitfähige Schicht 12 aus Titan auf einem GaAs-Halbleitersubstrat 11 aufgetragen. Nahe einem vorgegebenen Oberflächenteil der Titanschicht 12 wird, wie in 3(B) gezeigt, eine RTM-Sonde P positioniert und unter atmosphärischen Bedingungen (d.h. in einer Feuchtigkeit enthaltenden Umgebung) eine Spannung von 5 V zwischen der Sonde P und der Schicht 12 angelegt, wodurch ein Tunnelstrom aufgebaut und die Sonde gleichzeitig in einer Richtung S senkrecht zur Zeichenebene abgetastet wird. Die Abtastgeschwindigkeit wird so eingestellt, dass eine 100 nm breite Titanoxidlinie 15' gefertigt wird. Durch Einstellen der Spannung und Abtastgeschwindigkeit kann die Breite und Dicke der Linie 15' gut gesteuert werden. Die Breite der Linie 15' kann auch vergrößert werden, indem die Sonde P zu jeder Seite der Abtastlinie oszilliert wird. Die so auf eine vorgegebene Länge ausgebildete Titanlinie 15' stellt den optischen Leiter 15 dar und die nicht-oxidierten Teile der Titanschicht auf jeder Seite bilden Elektroden 12. Damit wird die Herstellung der Elektroden 12 und des optischen Leiters 15 zwischen den Elektroden 12 zu einem einzigen Vorgang rationalisiert.
Wie in 3(C) gezeigt, werden beispielsweise Elekrodenhalter 14 aus Ti/Au auf einem gewünschten Teil der Elektroden 12 ausgebildet, um einen Anschluss an einen möglicherweise erforderlichen, externen Schaltkreis zu erleichtern. In 3(D) werden beispielsweise Erdungselektroden 14' aus Ti/Au parallel zu einem Streifen ausgebildet, der Elektroden 12 und den optischen Leiter 15 enthält. In diesem Beispiel sind die Streifen jeweils 5 μm breit und 5 μm voneinander getrennt. Dadurch kann eine Vorspannungsleitung Lb, die eine Vorspannung Vb anlegt, an eine der Elektroden 12 angeschlossen und eine Signalleitung Lr an eine Widerstandslast R angeschlossen werden, die mit jeder der eine Abschirmung bildenden Erdungselektroden 14' verbunden wird.
Unter Anwendung des elektrooptischen Abtastverfahrens wurde das in 4 gezeigte Messsystem verwendet, um die so hergestellte Lichtempfangsvorrichtung 10A zu evaluieren. In diesem Verfahren werden Polarisationsänderungen in einem Laserstrahl entsprechend den Änderungen im elektrischen Feld eines elektrooptischen Kristalls, der am zu messenden Schaltkreis angeordnet ist, erfasst. Dadurch wird ein elektrisches Signal erzeugt, das bei einer zeitlichen Auflösung im Femtosekundenbereich gemessen wird. Die Lichtquelle war ein „colliding-pulse mode locked" (CPM)-Farbstofflaser 22, der von einem Argonlonen-Laser 21 mit einer Leistung von etwa 10 mW, einer Ausgangsimpulsbreite von 40 fs und einer Wellenlänge von 620 nm gespeist wurde. Der aus Titanoxid gebildete optische Leiter 15 der Lichtempfangsvorrichtung 10A zeigte angemessene Transparenz für diese Lichtwellenlänge von 620 nm und zufriedenstellende elektrische Isolationseigenschaften. Der Strahl des CPM-Farbstofflasers wird von einem 9:1 Strahlteiler 23 jeweils in einen Anregungsstrahl I_P und einen Abtaststrahl I_S geteilt. Der Anregungsstrahl I_P wird durch eine verstellbare Verzögerungseinrichtung 32 geführt, um die Differenz zum Lichtweg des Abtaststrahls I_S einzustellen, und wird anschließend in den optischen Leiter 15 der Lichtempfangsvorrichtung 10A gerichtet. Der Abtaststrahl I_S wird durch eine Halbwellenplatte 24 und einen Polarisator 25 geführt, um die Polarisationsrichtung einzustellen, und dann in eine elektrooptische (EO) Sonde 31 geführt. Die EO-Sonde 31 ist eine LiTaO₃-Platte, die 300 μm lang, 250 μm breit und 50 μm dick ist, einen elektrooptischen Koeffizienten von 35,8 pm/V und eine mehrschichtige, dielektrische antireflektierende Schicht auf der Rückfläche des Kristalls hat, die in Kontakt mit der Lichtempfangsvorrichtung ist. Die Kristallorientierung der EO-Sonde 31 und die Polarisationsrichtung des Abtaststrahls I_S werden zwecks optimaler Empfindlichkeit gegenüber einem elektrischen Feld eingestellt, das senkrecht zu dem Streifen ist.
Der reflektierte Abtaststrahl I_S, der durch elektrische Felddurchdringung in die EO-Sonde 31 phasenmoduliert wird, wird einer Phasenkompensation durch einen Babinet-Soleil-Kompensator 26 ausgesetzt, von einem polarisierenden Strahlteiler 27 umgelenkt und durch ein Paar Lichtempfänger 28a und 28b intensitätsmoduliert. Die Ausgangssignale der Lichtempfänger 28a und 28b werden über einen Differentialverstärker 29 zu einem Lock-in-Verstärker 34 weitergegeben und dadurch auf die gleiche Frequenz von 1 MHz eingestellt, die durch den Signalgenerator 33 an die hergestellte Vorrichtung angelegt wird. 5 zeigt eine grafische Darstellung der auf der Ausgabe des Lock-in-Verstärkers 34 basierenden Messergebnisse. Die Vertikalachse zeigt die Feldstärke, und die Horizontalachse gibt die Zeit an. Bei Messungen, die an einem Punkt 70 μm von der Lichtempfangsvorrichtung 10A vorgenommen wurden, wurde ein elektrischer Impulswert mit 570 fs Halbwertsbreite (FWHM) erreicht. In einem 3 dB Bereich entspricht dies 790 GHz, was im Moment zweifellos Weltrekordgeschwindigkeit für diese Art einer lichtleitfähigen Lichtempfangsvorrichtung ist.
Die Herstellung der Vorrichtung dieser Erfindung ermöglicht so, in einem einzigen Prozess den Bereich für das optische Fenster 13 zu begrenzen und die schützende Isolationsstruktur (optischer Leiter) 15 für das optische Fenster auszubilden. Zusätzlich zu diesem Grundeffekt wird es möglich, das optische Fenster 13 auf eine bis zu 100 nm genaue Breite auszubilden, sodass es die Wellenlänge des zu erfassenden Lichtes nicht überschreitet und eine schützende Isolationsstruktur 15 ausgebildet wird, die hochwertig ist und einen hohen dielektrischen Widerstand aufweist. Wenn das Verfahren auf die Herstellung einer MSM-Lichtempfangsvorrichtung angewendet wird, erhält man eine Vorrichtung, die hohe Geschwindigkeit und hohe Empfindlichkeit vereint.
Wenn insbesondere die Breite W des optischen Fensters 13 nicht größer ist als die Wellenlänge des zu erfassenden Lichts, erscheint das auf das lichtabsorbierende Substrat 11 auftreffende Licht I_P als ein evaneszentes fotoelektrisches Feld. Die fotoelektrische Feldstärke wird nur in der Nähe der Oberfläche des Substrats 11 erhöht und das auftreffende Licht wird in der Nähe der Oberfläche dieses Substrats 11 absorbiert. Da die Lichtempfangsvorrichtung 10A mit der hochwertigen schützenden Isolationsstruktur 15 versehen ist, die einen hohen dielektrischen Widerstand aufweist, kann im Vergleich zu einer herkömmlichen Vorrichtung eine höhere Spannung zwischen den Elektroden 12 angelegt werden. Dadurch ist die elektrische Feldstärke auf der Oberfläche des Substrats höher als in seinem Inneren und die angeregten Ladungsträger (Elektronen und Defektelektronen), die vom einfallenden Licht I_P in der Nähe der Substratoberfläche 11 nahe den Elektroden 12 erzeugt werden, werden mit hoher Geschwindigkeit zur entsprechenden Elektrode gezogen (Elektroden zur relativ positiven Elektrode und Defektelektroden zur relativ negativen Elektrode). Mit anderen Worten kann die fotoelektrische Umwandlung (Lichtdetektion) mit einer höheren Geschwindigkeit ausgeführt werden. Außerdem bedeutet die höhere Geschwindigkeit, mit der die Ladungsträger infolge der angelegten hohen Spannung weggezogen werden, dass weniger Rekombination stattfindet, wodurch die Empfindlichkeit und die Ausgangsleistung der Vorrichtung gesteigert werden. Diese Erfindung gibt eine Vorrichtung an, die schneller und empfindlicher ist als eine herkömmliche Vorrichtung. Dies liegt daran, dass selbst dann, wenn in der Vorrichtung nach dieser Erfindung die Breite W der Strecke zwischen den Elektroden 12 auf mehr als die 300 nm einer herkömmlichen Vorrichtung vergrößert wird, sofern die Breite W die Wellenlänge des zu erfassenden Lichts nicht überschreitet, aufgrund des niedrigeren Risikos eines dielektrischen Durchschlags eine höhere Spannung zwischen den Elektroden 12 angelegt werden kann. Dies würde das Herstellungsverfahren entlasten. Ein Beispiel ist das erwähnte Verarbeitungsverfahren, in dem zur Ausbildung der schützenden Isolationsstruktur 15 ein Rastersondengerät verwendet wird, das, wie oben beschrieben, beispielsweise durch Oszillieren der Sonde P zu jeder Seite der Abtastlinie eine Oxidationslinie einer gewünschten Breite bildet. Stattdessen wäre es möglich, eine andere vorhandene Feinstrukturierungstechnik zu verwenden wie Elektronenstrahl-Lithographie oder selektive Epitaxie.
Im Folgenden werden Abwandlungen der Erfindung beschrieben. Zunächst einmal braucht die schützende Isolationsstruktur bzw. der optischer Leiter 15 kein Isolator sein. Es ist nur erforderlich, dass sie bzw. er zwischen die Elektroden 12 angeordnet wird und einen höheren Widerstand bietet als das Substrat 11 und als solcher) aus einem auf einem Isoliermaterial basierenden Halbleiter gebildet werden kann. Wenn für das Substrat 11 GaAs verwendet wird, um eine Lichtdurchlässigkeit zu erhalten (minimale Lichtabsorption), könnte die Struktur 15 aus AIAs, GaP oder anderen derartigen Halbleitern gebildet werden, die eine größere Bandlücke haben als GaAs. Wenn jedoch ein solcher Halbleiter zum Ausbilden des optischen Leiters verwendet wird, sollte zwischen dem Leiter 15 und mindestens einer der Elektroden 12 eine kleine Lücke bleiben, in die ein Isoliermaterial gefüllt wird. Dies entspricht einer Ausführungsform, in der der optische Leiter 15 aus Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften besteht.
6 zeigt eine Ausführungsform einer Lichtempfangsvorrichtung 10B, in der das optische Fenster zwei oder mehr unterscheidbare optische Leiter 15 umfasst (in der Zeichnung sind nur zwei dargestellt), und ein undurchlässiger Zwischenabschnitt oder -Mittel 12' zwischen benachbarten Leitern 15 vorgesehen ist. Die Nachweisempfindlichkeit kann durch die Anzahl der optischen Leiter 15, deren Breite die Wellenlänge des zu erfassenden Lichtes nicht überschreitet, erhöht werden. Im Prinzip kann das Zwischenmittel 12' leitfähig oder isolierend sein, vorzugsweise ist es jedoch leitfähig, da es dadurch aus demselben Material ausgebildet werden kann, wie die auf jeder Seite zur Ausbildung der Elektroden 12 verwendete Schicht. Zur Ausbildung der optischen Leiter 15 kann eine beliebige Feinstrukturierungstechnik verwendet werden. Ein auf einer Rastersonde basierendes Verfahren ist äußerst rational, weil dadurch die in dem Verfahren zu verwendenden Leiter 15, die auch zur Ausbildung der Elektroden 12 und des Zwischenmittels 12' verwendet werden, alle gleichzeitig ausgebildet werden können.
Wie bereits erwähnt, ist es möglich, die optischen Leiter 15 aus einer gemischten Vielzahl von Materialien verschiedener Eigenschaften wie Isolatoren und Halbleiter zu bilden, sofern dies nicht von dem definierten Rahmen der Erfindung abweicht. Die optischen Leiter 15 können ferner eine Struktur enthalten, die eine Variation der optischen Eigenschaften der Leiter ermöglicht.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Lichtempfangsvorrichtung, umfassend die Schritte Bilden einer optisch undurchlässigen, elektrisch leitfähigen Schicht (12) auf einer Oberfläche eines Substrats (11) zur fotoelektrischen Umwandlung, Oxidieren eines Teils der optisch undurchlässigen, elektrisch leitfähigen Schicht (12) zum Ausbilden einer durchlässigen oder halbdurchlässigen schützenden Isolationsstruktur (15) vorgegebener Breite und Länge in der Schicht (12), wodurch ein optisches Fenster (13) begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidation mit einem Rasterkraftmikroskop durchgeführt wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, bei dem die optisch undurchlässige, elektrisch leitfähige Schicht (12) ein Metall oder eine Legierung ist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, bei dem die optisch undurchlässige, elektrisch leitfähige Schicht (12) ein Halbleiter ist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil der optisch undurchlässigen, elektrisch leitfähigen Schicht (12), der oxidiert wird, an mehreren voneinander beabstandeten Stellen auf der Schicht transformiert wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nicht oxidierte Teile der optisch undurchlässigen, elektrisch leitfähigen Schicht (12) als Elektroden dienen, um eine Spannung an das zur fotoelektrischen Umwandlung bestimmte Substrat (11) anzulegen, und dass die durchlässige oder halbdurchlässige schützende Isolationsstruktur (15) als Lichtleiter dient, der Licht in das Substrat (11) zur fotoelektrischen Umwandlung richtet.